仪表放大器模块技术文档

仪表放大器模块是一款基于高精度仪表放大器芯片（INA128/AD620）设计的专业模拟信号调理模块。该模块具有超高输入阻抗、极低失调电压、优异的共模抑制比和低噪声特性，专门用于放大微弱差分信号。模块集成了增益可调、偏移校正、输出滤波等功能，广泛应用于传感器信号调理、生物医学测量、应变计放大、热电偶信号处理等精密测量场合，是高精度数据采集系统的核心组件。

差分输入 → [输入缓冲] → [仪表放大器] → [输出缓冲] → [滤波] → 输出信号
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[保护电路] → [增益设置] → [共模抑制] → [偏移调节] → [状态指示]

仪表放大器模块采用三运放结构的经典仪表放大器设计，通过单个外部电阻即可精确设定增益，具有极高的输入阻抗和优异的共模抑制性能。

输入级设计：采用匹配的高精度运算放大器作为输入缓冲器，每个输入端具有超高输入阻抗（通常>10GΩ）和极低的输入偏置电流（<1nA）。输入级为非反相配置，不会对输入信号进行相位反转，同时提供高共模抑制比。输入端设置ESD保护二极管和限流电阻，防止静电或过压损坏。

增益控制机制：仪表放大器的增益通过单个外部电阻RG进行设置，增益公式为G=1+50kΩ/RG（INA128）或G=1+49.4kΩ/RG（AD620）。这种设计确保了增益的高精度和温度稳定性。模块提供多档增益选择跳线和精密增益调节电位器，可实现1～1000倍的连续可调增益。

差分放大原理：输入级的两个运放将差分输入信号转换为差分电流，流过增益电阻RG。第三级差分放大器将这个差分电流转换回电压输出。整个过程中，共模信号被有效抑制，只有差分信号被放大。共模抑制比可达120dB以上，确保在强干扰环境下仍能准确提取微弱信号。

输出级处理：输出级采用低阻抗设计，可直接驱动ADC或后级电路。集成输出偏移调零电路，可消除系统偏移误差。输出端设置可选的低通滤波器，抑制高频噪声和干扰信号，改善信噪比。

基准电压设计：模块提供可调基准电压输入端（REF），允许设置输出的直流偏置。当REF接地时，输出为双极性；当REF接正电压时，可将负输入信号转换为正输出，适合单电源ADC采集。

电源管理：支持单电源（+5V～+36V）和双电源（±2.25V～±18V）工作模式。内部集成电源去耦和滤波电路，确保在各种电源条件下的稳定工作。低功耗设计适合便携式和电池供电应用。

保护与监测：输入端具有过压保护，输出端有短路保护。集成温度保护功能，防止过热损坏。通过状态指示LED显示电源状态、信号范围和饱和状态，便于系统调试和故障诊断。

模块可配置为各种测量应用：应变计桥路放大器（四分之一桥、半桥、全桥）、热电偶放大器、生物电信号放大器、压力传感器信号调理器等，满足不同精密测量需求。

- INA128：高精度、低功耗、单电源工作 - AD620：超低噪声、高共模抑制比、宽电源范围

- 工作电压：±2.25V～±18V（双电源）/ +4.5V～+36V（单电源） - 输入失调电压：≤50μV（INA128）/ ≤125μV（AD620） - 输入偏置电流：≤2nA - 增益范围：1～1000（可调） - 共模抑制比：≥120dB - 电源抑制比：≥120dB - 输入阻抗：>10GΩ

- 按照管脚定义正确连接电源，确保电源纹波<10mV - 差分输入信号通过屏蔽线连接，保持信号完整性 - 输出端接适当负载，避免容性负载引起振荡 - 良好接地，建议采用星形接地方式

- 双电源模式：±15V供电，适用于双极性输入输出 - 单电源模式：+15V供电，REF端接VCC/2作为中点电压 - 电源去耦：在芯片附近放置0.1μF陶瓷电容和10μF电解电容

- 根据应用需求选择JP2粗调增益档位 - 使用RV1进行增益精细调节，配合数字万用表测量 - 增益校准：输入已知差分信号，调节RV1使输出为理论值 - 增益公式：G = 1 + 49.4kΩ/RG（AD620）

- 将输入端短路（SW1闭合）或接入零差分信号 - 调节RV2使输出为预设零点值 - 对于单电源应用，零点通常设为VCC/2 - 校准完成后断开SW1，恢复正常工作

- JP4控制输出低通滤波器的使能 - RV4调节滤波器截止频率，抑制高频噪声 - 根据信号带宽需求设置适当的截止频率 - 注意滤波器会引入群延迟，影响瞬态响应

- 启用JP5屏蔽驱动功能，提高抗干扰能力 - 输入线缆使用双绞屏蔽线，屏蔽层连接GUARD端 - 避免输入线缆与数字信号或电源线并行走线 - PCB采用地平面设计，减少地环路干扰

- LED1不亮：检查电源连接和电压 - LED3亮起：输入过载或增益过高，检查输入信号幅度 - 输出饱和：降低增益或检查基准电压设置 - 噪声过大：检查接地、屏蔽和滤波器设置

1. 简易数字存储示波器（2009年、2015年、2021年）

1. 模拟前端信号调理和放大
2. 实现mV级小信号的精确测量
3. 多档量程自动切换功能

2. 简易频谱分析仪（2001年、2018年）

1. 射频信号下变频后的中频放大
2. 宽动态范围信号检测
3. 噪声底抑制和信噪比改善

3. 数字式工频有效值多用表（2010年、2016年）

1. 交流电压和电流的精密测量
2. 多量程切换的前端放大器
3. 高精度、低漂移要求

4. 简易电阻、电容和电感测试仪（2006年、2012年）

1. 微弱激励响应信号的放大
2. 阻抗测量中的信号调理
3. 宽频率范围的增益平坦性

5. 数据采集与处理系统（2004年、2020年）

1. 多路传感器信号的同步放大
2. 高精度数据采集前端设计
3. 传感器激励和信号调理一体化

6. 音频信号分析仪（2013年、2019年）

1. 音频信号的低噪声放大
2. 宽动态范围信号处理
3. THD测量的前端放大器

7. 简易数字信号处理平台（2008年）

1. 模拟信号的数字化预处理
2. 多通道信号的并行放大
3. 信号调理和抗混叠滤波

8. 温度测量与控制系统（2004年、2020年）

1. 热电偶信号的放大和冷端补偿
2. 铂电阻信号的精密测量
3. 微伏级温差信号处理

9. 简易心电图仪（2017年）

1. 心电信号的差分放大（0.05-100Hz）
2. 高共模抑制比（>100dB）要求
3. 低噪声、高输入阻抗设计

10. 生物医学信号处理装置（2014年）

1. 脑电、肌电信号的超低噪声放大
2. 极高输入阻抗（>1GΩ）要求
3. 严格的生物安全和隔离要求

11. 直流电机控制系统（多年出现）

1. 电机电流检测的差分放大
2. 转速反馈信号的精密放大
3. 负载转矩测量信号调理

12. 开关电源的设计（2019年、2021年）

1. 输出电压精密检测放大
2. 电流检测信号的差分放大
3. 误差放大器的高精度设计

13. 无线充电装置（2020年、2022年）

1. 功率传输效率的精密测量
2. 线圈电流和电压的同步检测
3. 谐振频率跟踪的信号处理

14. 简易短波SSB收发信机（2003年、2016年）

1. 射频信号的中频放大
2. AGC（自动增益控制）前端放大
3. 接收灵敏度改善

15. 调幅信号处理实验装置（2007年）

1. 调制信号的线性放大
2. 检波前的信号调理
3. 信噪比和失真度测量

16. 简易雷达测量系统（2020年）

1. 多普勒信号的差分放大
2. 回波信号的低噪声放大
3. 距离和速度测量的模拟前端

17. 电磁场测量装置（2018年）

1. 感应线圈信号的精密放大
2. 电场探头信号的高阻抗放大
3. 宽频率范围的平坦响应

18. 智能物联网监测系统（2021年、2022年）

1. 环境传感器的多参数测量
2. 超低功耗信号调理设计
3. 无线传输前的信号预处理

高精度测量应用： - 利用超低失调电压（<50μV）实现精密测量 - 高共模抑制比（>120dB）抑制工频干扰 - 低噪声设计（<10nV/√Hz）提高测量分辨率

传感器接口应用： - 超高输入阻抗（>10GΩ）适配各种传感器 - 可变增益（1-1000倍）适应不同信号幅度 - 单电源工作适合便携式系统

生物医学应用： - 极低输入偏置电流（<2nA）避免信号源负载 - 宽带宽设计满足生理信号频谱要求 - 严格的安全隔离和EMC设计

工业控制应用： - 差分输入抑制共模干扰 - 宽电源范围适应恶劣工业环境 - 过载保护确保系统可靠性

仪表放大器模块凭借其卓越的性能指标，已成为各类精密测量和信号处理竞赛题目的核心组件，是电赛参赛者必备的重要模块。